Jedna od mašina za aditivnu proizvodnju. Aditivne tehnologije u mašinstvu: transportna industrija

11.02.2022 | Internet

Digitalna proizvodnja aditivnom metodom sastoji se od kreiranja objekta bilo koje složenosti sloj po sloj. Aditivne tehnologije su fundamentalno različite od onih koje su se koristile do nedavno. Njihova glavna razlika je u tome što nisu subtraktivni, kao, na primjer, CNC metoda obrade, već zbirni. Drugim riječima, proizvod je sastavljen od dijelova napravljenih od praha. U poređenju sa tehnikama livenja, štancanja ili CNC obrade, ova tehnologija povećava produktivnost i do trideset puta, ali što je najvažnije, omogućava proizvodnju delova koje je bilo nemoguće napraviti tradicionalnim metodama.

Inovativne 3D aditivne tehnologije omogućavaju stvaranje modela bilo kojeg oblika i veličine, jer se proces sinteze sloj po sloj odvija sloj po sloj. Ova metoda proizvodnje koristi metodu poput izrade prototipa. To omogućava stvaranje ne gotovog objekta koji se može koristiti u određene svrhe, već njegovog prototipa, koji vam omogućava da procijenite mogućnosti i karakteristike modela, njegove vanjske podatke itd.

Prototipovi se mogu predstaviti kupcima i koristiti u marketinške svrhe. Na primjer, saloni automobila često koriste modele stvorene brzim prototipom kako bi ih predstavili potencijalnim kupcima. Ova tehnologija omogućava brzu i, što je najvažnije, jeftinu proizvodnju prototipova u poređenju sa standardnim proizvodnim metodama.

Tehnologije aditivne proizvodnje se široko koriste za smanjenje troškova dizajna identifikacijom mogućih grešaka u ranim fazama projektovanja. Osim toga, ova tehnologija smanjuje vrijeme izlaska na tržište poboljšavajući komunikaciju između kupca i dizajnera. Gotovo u potpunosti eliminira radno intenzivnu i dugotrajnu fazu proizvodnje prototipova.

Istorija razvoja i obim primene 3D aditivnih tehnologija

Mnogi ljudi smatraju 3D štampanje izumom 21. veka, ali tehnologija aditivne štampe nastala je osamdesetih godina prošlog veka. A njen otac se smatra C. Hullom, čovjekom koji je dizajnirao prvi stereolitografski 3D štampač koristeći SLA tehnologiju. Ubrzo je drugi inženjer, S. Crump, bio u mogućnosti da dizajnira i kreira FDM štampač. I, unatoč činjenici da se ove tehnologije ispisa malo razlikuju jedna od druge, ujedinjuje ih jedan princip - rast trodimenzionalnog modela sloj po sloj. Krajem devedesetih, obje tehnologije počele su se koristiti u industriji. Nešto kasnije, 3D tehnologiju su uvela dva studenta Instituta Massachusetts u desktop štampače, a danas se aditivne tehnologije i tehnologije 3D modeliranja široko koriste ne samo u proizvodnji, već iu svakodnevnom životu.

On trenutno savremene digitalne proizvodne tehnologije koriste se u građevinarstvu, arhitekturi, medicini, astronautici, mašinstvu i drugim oblastima delatnosti. Na primjer, aditivne tehnologije u mašinstvu omogućavaju stvaranje visokokvalitetnih prototipova modela koji pomažu u proučavanju svih karakteristika budućeg proizvoda ili sklopa. Prilikom izrade prototipova najčešće se koristi stereolitografska AF štampa, u kojoj se slojevi tekućeg polimera stvrdnjavaju pomoću lasera. Tehnika omogućava dobijanje prototipova složenih objekata sa mnogo malih elemenata, uključujući i nestandardne oblike.

Koje probleme rješava korištenje aditivnih tehnologija u digitalnoj proizvodnji?

Integrisani kompjuterski baziran digitalni sistem upravljanja proizvodnjom koristi numeričko modeliranje, trodimenzionalnu (3D) vizualizaciju, inženjersku analizu i alate za saradnju za razvoj dizajna proizvoda i proizvodnih procesa.

Dizajn digitalne proizvodnje je koncept tehnološke pripreme proizvodnje u jedinstvenom virtuelnom okruženju pomoću alata za planiranje, testiranje i modeliranje proizvodnih procesa. Digitalne proizvodne tehnologije su prije svega procesi prevođenja digitalnog dizajna u fizički objekt.

Korištenjem aditivnih tehnologija rješavaju se problemi digitalne proizvodnje kao što su modernizacija i automatizacija postojećih i projektovanje novih efikasnih mašina za različite namjene, sredstva i sisteme za njihovo opremanje, kao i proizvodne i tehnološke procese koji koriste automatizovani sistemi tehnološka priprema proizvodnje.

Vodeće zemlje svijeta aktivno učestvuju u 3D trci. Tako je 2012. godine u Youngstoneu u Ohaju otvoren Nacionalni institut za inovacije u proizvodnji aditiva NAMII - prvi centar aditivne tehnologije od petnaest koji se stvara u Sjedinjenim Državama. Mašinski park instituta već ima 10 aditiva, od kojih su tri najsavremenije mašine za izradu metalnih delova.

Terminologija i klasifikacija

Suština aditivne proizvodnje je kombinovanje materijala za kreiranje objekata iz podataka 3D modela, sloj po sloj. Po tome se razlikuju od konvencionalnih subtraktivnih proizvodnih tehnologija, koje uključuju mehaničku obradu - uklanjanje tvari iz radnog komada.

Aditivne tehnologije se klasifikuju:

prema upotrijebljenim materijalima (tečnost, rasuti, polimer, metalni prah);
prisustvom lasera;
metodom fiksiranja građevinskog sloja (termičko izlaganje, ultraljubičasto zračenje ili vidljivo svetlo, sastav veziva);
prema načinu formiranja slojeva.

Postoje dva načina za formiranje sloja. Prvi je da prvo sipate praškasti materijal na platformu i raširite ga valjkom ili nožem kako biste stvorili ravnomjeran sloj materijala određene debljine. Selektivna obrada praha se vrši laserom ili nekom drugom metodom povezivanja čestica praha (topljenjem ili lepljenjem) prema trenutnom delu CAD modela. Konstrukcijska ravan je nepromijenjena, a dio praha ostaje netaknut. Ova metoda se naziva selektivna sinteza, a također i selektivno lasersko sinteriranje ako je alat za spajanje laser. Druga metoda je direktno deponovanje materijala na mjestu gdje se energija isporučuje.

ASTM, organizacija koja razvija industrijske standarde, dijeli 3D aditivne tehnologije u 7 kategorija.

Ekstruzija materijala. Materijal nalik pasti, koji je mješavina veziva i metalnog praha, se dovodi do tačke izgradnje kroz zagrijani ekstruder. Završeni sirovi model stavlja se u pećnicu kako bi se uklonilo vezivo i prašak za pečenje - baš kao u tradicionalnim tehnologijama. Ova aditivna tehnologija implementirana je pod brendovima MJS (Multiphase Jet Solidification, multiphase jet Curing), FDM (Fused Deposition Modeling, modeliranje sloj-po-sloj fuzijom), FFF (Fused Filament Fabrication, proizvodnja fuzionih filamenata).
Prskanje materijala. Na primjer, u tehnologiji Polyjet, vosak ili fotopolimer se dovode kroz višemlaznu glavu do tačke izgradnje. Ova tehnologija aditiva se također naziva Multi jetting Material.
Prskanje veziva. To uključuje ink-jet Ink-Jet tehnologije za ubrizgavanje u građevinsku zonu ne materijala modela, već vezivnog reagensa (ExOne aditivna proizvodna tehnologija).
Smjesa za listove je polimerni film, metalna folija, listovi papira, itd. Koristi se, na primjer, u Fabrisonic ultrazvučnoj tehnologiji proizvodnje aditiva. Tanke metalne ploče se zavaruju ultrazvučno, nakon čega se višak metala uklanja glodanjem. Ovdje se koristi aditivna tehnologija u kombinaciji sa subtraktivnom tehnologijom.
Fotopolimerizacija u kadi. Tehnologija koristi tečne materijale za modeliranje - fotopolimerne smole. Primjer je SLA tehnologija 3D sistema i DLP tehnologija Envisiontec i Digital Light Procession.
Topljenje materijala u prethodno formiranom sloju. Koristi se u SLS tehnologijama koje koriste lasersku ili termalnu glavu kao izvor energije (SHS iz Blueprintera).
Direktna opskrba energijom gradilišta. Materijal i energija za njegovo topljenje istovremeno stižu do tačke izgradnje. Kao radno tijelo koristi se glava opremljena sistemom za snabdijevanje energijom i materijalom. Energija dolazi u obliku koncentrisanog snopa elektrona (Sciaky) ili laserskog snopa (POM, Optomec,). Ponekad se glava montira na robotovu "ruku".

Ova klasifikacija govori mnogo više o zamršenostima aditivnih tehnologija od prethodnih.

Područja primjene

Dinamika razvoja tržišta aditivnih tehnologija je ispred ostalih industrija. Njegov prosječni godišnji rast procjenjuje se na 27% i, prema IDC-u, iznosit će 26,7 milijardi dolara do 2019. godine, u odnosu na 11 milijardi dolara u 2015. godini.

Međutim, AT tržište tek treba da otključa svoj neiskorišćeni potencijal u proizvodnji robe široke potrošnje. Do 10% sredstava kompanije od troškova proizvodnje proizvoda troši se na njegovu izradu prototipa. I mnoge kompanije su već zauzele ovaj tržišni segment. Ali preostalih 90% ide u proizvodnju, tako da će kreiranje aplikacija za brzu proizvodnju robe biti glavni pravac razvoja ove industrije u budućnosti.

U 2014. godini udio brze izrade prototipa na tržištu aditivne proizvodnje, iako je smanjen, ostao je najveći - 35%, udio brze proizvodnje je porastao i dostigao 31%, udio u kreiranju alata ostao je na 25%, ostalo bila je obuhvaćena istraživanjem i obrazovanjem.

Distribucija AT tehnologija po industrijskim sektorima je sljedeća:

21% - proizvodnja roba široke potrošnje i elektronika;
20% - automobilska industrija;
15% - medicina, uključujući stomatologiju;
12% - proizvodnja aviona i svemirska industrija;
11% - proizvodnja sredstava za proizvodnju;
8% - vojna oprema;
8% - obrazovanje;
3% - izgradnja.

Amateri i profesionalci

Tržište AT tehnologije podijeljeno je na amatersko i profesionalno. Hobi tržište uključuje 3D štampače i njihovo održavanje, koje uključuje servis, potrošni materijal, softver, a namijenjeno je individualnim entuzijastima, edukaciji i vizualizaciji ideja te olakšavanju komunikacije u ranim fazama razvoja novog poslovanja.

Profesionalni 3D štampači su skupi i pogodni za naprednu reprodukciju. Imaju veliku građevinsku površinu, produktivnost, tačnost, pouzdanost i prošireni raspon modela materijala. Ove mašine su za red veličine složenije i zahtevaju razvoj posebnih veština u radu sa samim uređajima, sa modelskim materijalima i softverom. Po pravilu, rukovalac profesionalne mašine je stručnjak za aditivnu tehnologiju sa visokim tehničkim obrazovanjem.

Aditivne tehnologije u 2015

Prema Wohlersovom izvještaju za 2015., od 1988. do 2014. širom svijeta instalirana su 79.602 industrijska 3D štampača. Istovremeno, 38,1% uređaja koji koštaju više od 5 hiljada američkih dolara je iz SAD, 9,3% iz Japana, 9,2% iz Kine i 8,7% iz Njemačke. Ostatak svijeta je daleko iza lidera. Od 2007. do 2014. godišnja prodaja desktop štampača porasla je sa 66 na 139.584 uređaja. U 2014. godini, 91,6% prodaje došlo je od desktop 3D štampača i 8,4% od industrijskih jedinica za proizvodnju aditiva, ali je profit od ovih mašina činio 86,6% ukupnog iznosa, ili 1,12 milijardi dolara u apsolutnom iznosu. Desktop mašine su činile 173,2 miliona dolara i 13,4%. U 2016. godini očekuje se rast prodaje na 7,3 milijarde dolara, u 2018. na 12,7 milijardi, a 2020. godine tržište će dostići 21,2 milijarde dolara.

Prema Wohlersu, FDM tehnologija je preovlađujuća, sa skoro 300 brendova širom svijeta, s novim modifikacijama koje se dodaju svakodnevno. Neki od njih se prodaju samo lokalno, tako da je vrlo teško, ako ne i nemoguće, pronaći podatke o broju proizvedenih marki 3D printera. Sa sigurnošću možemo reći da je njihov broj na tržištu svakim danom sve veći. Postoji veliki izbor veličina i tehnologije koja se koristi. Na primer, berlinska kompanija BigRep proizvodi ogroman FDM štampač pod nazivom BigRep ONE.2 po ceni od 36 hiljada evra, sposoban da štampa predmete dimenzija do 900 x 1055 x 1100 mm rezolucije 100-1000 mikrona, dva ekstrudera i mogućnost upotrebe različitih materijala.

Industrija - za

Zrakoplovna industrija ulaže velika sredstva u aditivnu proizvodnju. Upotreba aditivnih tehnologija smanjit će potrošnju materijala utrošenih na proizvodnju dijelova za 10 puta. Očekuje se da će GE Aviation štampati 40.000 injektora godišnje. A Erbas planira da štampa do 30 tona delova mesečno do 2018. Kompanija bilježi značajan napredak u karakteristikama dijelova proizvedenih na ovaj način u odnosu na tradicionalni. Ispostavilo se da nosač, koji je dizajniran za 2,3 tone opterećenja, zapravo može izdržati opterećenje do 14 tona, a pritom je prepolovio svoju težinu. Kompanija takođe štampa delove od aluminijumskog lima i konektore za gorivo. Airbus avioni imaju 60 hiljada dijelova odštampanih na Stratasysovim Fortus 3D štampačima. Druge kompanije u vazduhoplovnoj industriji takođe koriste tehnologije aditivne proizvodnje. Među njima: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce i SpaceX.

Digitalne aditivne tehnologije već se koriste u proizvodnji raznih potrošačkih proizvoda. Kompanija za usluge aditivne proizvodnje Materialize surađuje s tvrtkom Hoet Eyeware na proizvodnji naočara za korekciju vida i sunčanih naočara. 3D modele pružaju mnoge usluge u oblaku. Samo 3D Warehouse i Sketchup nude 2,7 miliona dizajna. Ni modna industrija nije izostavljena. RS Print koristi sistem koji mjeri jedini pritisak za štampanje prilagođenih uložaka. Dizajneri eksperimentišu s bikinijima, cipelama i haljinama.

Rapid Prototyping

Brza izrada prototipa se odnosi na stvaranje prototipa proizvoda u najkraćem mogućem roku. To je jedna od glavnih primjena tehnologija aditivne proizvodnje. Prototip je prototip proizvoda neophodan za optimizaciju oblika dijela, procjenu njegove ergonomije, provjeru izvodljivosti montaže i ispravnost rješenja rasporeda. Zbog toga skraćivanje vremena izrade dijela može značajno smanjiti vrijeme razvoja. Također, prototip može biti model namijenjen za provođenje aero- i hidrodinamičkih ispitivanja ili ispitivanje funkcionalnosti stambenih dijelova kućne i medicinske opreme. Mnogi prototipovi su kreirani kao istraživački dizajnerski modeli sa nijansama u konfiguraciji, bojama, itd. Za brzu izradu prototipa koriste se jeftini 3D štampači.

Brza proizvodnja

Aditivne tehnologije u industriji imaju velike izglede. Mala proizvodnja proizvoda složene geometrije i od specifičnih materijala uobičajena je u brodogradnji, elektroenergetici, rekonstruktivnoj hirurgiji i dentalnoj medicini, te zrakoplovnoj industriji. Direktan uzgoj metalnih proizvoda ovdje je motivisan ekonomskom izvodljivošću, jer se pokazalo da je to jeftinije. Koristeći aditivne tehnologije, proizvode radne dijelove turbina i vratila, implantate i endoproteze, rezervne dijelove za automobile i avione.

Razvoj brze proizvodnje je također olakšano značajnom ekspanzijom broja dostupnih metalnih praškastih materijala. Ako je 2000. godine postojalo 5-6 vrsta praha, sada se nudi širok asortiman, koji broji desetke sastava od konstrukcijskih čelika do plemenitih metala i legura otpornih na toplinu.

Aditivne tehnologije obećavaju i u mašinstvu, gde se mogu koristiti u proizvodnji alata i uređaja za masovnu proizvodnju - umetaka za mašine za brizganje, kalupa, šablona.

Ultimaker 2 je najbolji 3D štampač u 2016

Prema časopisu CHIP, koji je testirao i upoređivao performanse potrošačkih 3D štampača, najbolji štampači u 2016. su Ultimakerov Ultimaker 2, Conradov Reniforce RF1000 i MakerBot Replicator Desktop 3D štampač.

Ultimaker 2+ u svom poboljšanom modelu koristi tehnologiju modeliranja fuzije taloženja. 3D štampač se odlikuje najmanjom debljinom sloja od 0,02 mm, kratkim vremenom proračuna i niskim troškovima štampe (2.600 rubalja po 1 kg materijala). Ključne karakteristike:

veličina radne komore - 223 x 223 x 305 mm;
težina - 12,3 kg;
veličina glave - 0,25/0,4/0,6/0,8 mm;
temperatura glave - 180-260°C;
rezolucija sloja - 150-60/200-20/400-20/600-20 mikrona;
brzina štampe - 8-24 mm 3 /s;
XYZ tačnost - 12,5-12,55 mikrona;
materijal - PLA, ABS, CPE prečnika 2,85 mm;
softver - Cura;
podržane vrste datoteka - STL, OBJ, AMF;
- 221 W;
cijena - 1.895 eura osnovni model i 2.495 eura produženi.

Prema recenzijama kupaca, štampač je jednostavan za instalaciju i upotrebu. Primjećuju visoku rezoluciju, samopodešavanje zaliha, široku paletu korištenih materijala, korištenje otvorenih softver. Nedostaci štampača su otvoreni dizajn štampača koji može dovesti do opekotina od vrućeg materijala.

LulzBot Mini 3D štampač

U recenziji PC Magazina su se takođe našli Ultimaker 2 i Replicator Desktop 3D štampač u prva tri, ali je LulzBot Mini 3D štampač došao na prvo mesto. Njegove specifikacije su:

veličina radne komore - 152 x 152 x 158 mm;
težina - 8,55 kg;
temperatura glave - 300°C;
debljina sloja - 0,05-0,5 mm;
brzina štampe - 275 mm/s sa visinom sloja od 0,18 mm;
materijal - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, poliester, najlon, polikarbonat, PETG, PCTE, PC-ABS itd. prečnika 3 mm;
softver - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl, itd.;
potrošnja energije - 300 W;
cijena - 1.250 američkih dolara.

Sciaky EBAM 300

Jedna od najboljih industrijskih mašina za proizvodnju aditiva je EBAM 300 iz Sciakyja. Pištolj sa elektronskim snopom taloži slojeve metala brzinom do 9 kg na sat.

veličina radne komore - 5791 x 1219 x 1219 mm;
pritisak u vakuum komori - 1x10 -4 Torr;
potrošnja energije - do 42 kW pri naponu od 60 kV;
tehnologija - ekstruzija;
materijal - titan i legure titana, tantal, inkonel, volfram, niobijum, nerđajući čelik, aluminijum, čelik, legura bakra i nikla (70/30 i 30/70);
maksimalna zapremina - 8605,2 l;
cijena - 250 hiljada američkih dolara.

Aditivne tehnologije u Rusiji

Mašine industrijske klase se ne proizvode u Rusiji. Do sada, razvoj je u toku samo u Rosatomu, laserskom centru MSTU. Bauman, Univerzitet Stankin, Politehnički univerzitet u Sankt Peterburgu, Ural Federalni univerzitet. Voronezhselimmash, koji proizvodi obrazovne i kućne 3D štampače Alpha, razvija industrijsku instalaciju aditiva.

Ista situacija vrijedi i za potrošni materijal. Lider u razvoju prahova i praškastih sastava u Rusiji je VIAM. Proizvodi prah za aditivne tehnologije, koji se koristi u restauraciji lopatica turbina, po narudžbi Perm Aviadvigatel. Sveruski institut lakih legura (VILS) takođe napreduje. Razvoje izvode različiti inženjerski centri širom Ruska Federacija. Rostec, Uralski ogranak Ruske akademije nauka, i UrFU sprovode sopstvene razvoje. Ali svi oni nisu u stanju da zadovolje ni malu potražnju od 20 tona praha godišnje.

S tim u vezi Vlada je zadužila Ministarstvo prosvete i nauke, Ministarstvo ekonomskog razvoja, Ministarstvo industrije i trgovine, Ministarstvo telekomunikacija i masovnih komunikacija, Rusku akademiju nauka, FANO, Roskosmos, Rosatom, Rosstandart i razvojne institucije da kreiraju koordiniran razvojni i istraživački program. Da bi se to postiglo, predlaže se izdvajanje dodatnih budžetskih izdvajanja, kao i razmatranje mogućnosti sufinansiranja iz Fonda nacionalnog blagostanja i drugih izvora. Preporučuje se podrška novim, uključujući aditivne, RVC, Rusnano, Fondaciju Skolkovo, izvoznu agenciju EXIAR i Vnesheconombank. Takođe, Vlada, koju predstavlja Ministarstvo industrije i trgovine, pripremiće deo državnog programa za razvoj i unapređenje industrijske konkurentnosti.

Tehnološki proces ne miruje svakim danom, što omogućava korištenje inovacija raznim poljima ljudski život. Aditivne tehnologije su jedne od najnaprednijih i najtraženijih u cijelom svijetu.

Aditivne tehnologije - šta je to?

Aditivne tehnologije (Additive Manufacturing - od riječi aditivnost - dodano) je sloj po sloj izgradnja i sinteza objekta korištenjem 3D kompjuterskih tehnologija. Izum pripada Charlesu Hullu, koji je dizajnirao prvi stereolitografski trodimenzionalni štampač 1986. godine. Šta znači aditivni proces kreiranja modela sloj po sloj i kako se to dešava? U modernoj industriji to je nekoliko različitih procesa, kao rezultat kojih se modelira 3D objekt:

UV zračenje;
ekstruzija;
mlazno prskanje;
fuzija;
laminacija.

Materijali koji se koriste u aditivnim tehnologijama:

vosak;
gipsani prah;
tekući fotopolimeri;
metalni prah;
razne vrste poliamida;
polistiren

Primjena aditivnih tehnologija

Tehnološki napredak doprinosi proizvodnji mnogih korisnih stvari za svakodnevni život, zdravlje i sigurnost ljudi, na primjer, aditivne tehnologije u proizvodnji aviona pomažu u stvaranju ekonomičnijih i lakših aviona, dok su njegova aerodinamička svojstva u potpunosti očuvana. To je omogućeno primjenom principa kostiju ptičjih krila na dizajn krila aviona. Ostala područja primjene aditivnih tehnologija:

izgradnja;
poljoprivredna industrija;
mašinstvo;
brodogradnja;
astronautika;
medicine i farmakologije.

Aditivne 3D tehnologije

Aditivne tehnologije 3D štampanja, koje se dinamično razvijaju brzim tempom, koriste se u naprednim industrijama. Postoji nekoliko inovativnih vrsta aditivnih tehnologija:

FDM(Modeliranje fuzije taloženja) - proizvod se formira sloj po sloj od rastaljene plastične niti.
C.J.P.(ColorJet printing) je jedina 3D štampa u punom koloru na svijetu sa principom lijepljenja praha koji se sastoji od gipsa.
SLS(Selektivno lasersko sinterovanje) je tehnologija laserskog pečenja koja proizvodi posebno izdržljive predmete bilo koje veličine.
M.J.M.(MultiJet Modeling) višemlazno 3D modeliranje pomoću fotopolimera i voska.
SLA(Laserska stereolitografija) – pomoću lasera dolazi do očvršćavanja tečnog polimera sloj po sloj.

Aditivne tehnologije u mašinstvu

Jim Corr, američki inženjer, koristi aditivnu proizvodnju u mašinstvu već 15 godina. Urbee projekat Kor Ecologic je stvaranje prvog prototipa 3D automobila sa brzinom od 112 km/h, a njegova karoserija i neki dijelovi su štampani na 3D štampaču. Druga kompanija, Local Motors, u novembru 2015. godine predstavila je „pametan i siguran“ LMSD Swim automobil - čiji je 75% dijelova napravljen pomoću 3D štampe od ABS plastike i karbonskih vlakana.

Aditivne tehnologije u građevinarstvu

Aditivna proizvodnja zgrada i raznih konstrukcija značajno skraćuje vrijeme izgradnje. Građevinska 3D štampa je u trendu u cijelom svijetu. Eksperimenti izvedeni na laserskim 3D štampačima izgledaju granično fantastično za obične ljude. Aditivne 3D tehnologije – pozitivni aspekti u građevinarstvu:

ušteda vremena i finansijskih troškova (brzina izgradnje za nekoliko dana; smanjenje troškova za logistiku, potrošni materijal, zapošljavanje velika količina osoblje);
implementacija bilo kakvih dizajnerskih rješenja i složenih geometrijskih oblika (srednjovjekovni dvorci, kuće u obliku asteroida i galaksija);
mogućnost izgradnje domova otpornih na potrese u područjima sklonim zemljotresima i uraganima.

Najpoznatije 3D zgrade:

Aditivne tehnologije u medicini

U 2016. godini došlo je do iskora u medicini zahvaljujući aditivnim 3D tehnologijama. Kvalitet medicinskih usluga je značajno povećan. Proces aditiva je zahvatio nekoliko oblasti zdravstvene zaštite i to je smanjilo smrtnost među pacijentima kojima su potrebne kvalitetne i hitne medicinske usluge. Prednosti upotrebe aditivne 3D štampe u medicini:

Uz pomoć tomografskih slika postalo je moguće ispisati organ s patologijom s visokom preciznošću za proučavanje suptilnosti i nijansi nadolazeće operacije.
Transplantologija je prešla dug put. Aditivne tehnologije ovdje rješavaju nekoliko problema odjednom - moralne i etičke i smanjuju vrijeme čekanja, poznata činjenica da ljudi čekaju po nekoliko godina na donatorske organe, ali ponekad se ne računaju godine, već dani, pa čak i sati. Transplantacija umjetno uzgojenih ljudskih organa uskoro će postati stvarnost.
Štampanje sterilnih instrumenata. U eri teških i neizlječivih virusnih infekcija, sterilni instrumenti za jednokratnu upotrebu uklanjaju kontaminaciju tokom medicinskih procedura.

Danas se u medicini uspješno koriste sljedeći proizvodi aditivne tehnologije:

umjetno uzgojena ljudska koža (relevantna za transplantaciju osobama s velikim opekotinama);
biokompatibilno tkivo kostiju i hrskavice;
štampanje organa s onkološkim procesom i proučavanje djelovanja lijekova na tumore;
zubni implantati, proteze, krunice;
individualni slušni aparati;
ortopedske proteze.

Aditivne tehnologije u farmakologiji

Uz obilje savremenih lekova, važno je da lekar zna šta je aditivno dejstvo lekova, od toga zavisi uspeh lečenja. Kombinovani efekat lekova koji se uzimaju tokom lečenja treba da bude sinergistički (međusobno komplementaran i pojačavajući), ali to nije uvek slučaj. Sve zavisi od individualne netolerancije i stanja organizma. Aditivne tehnologije i ovdje dolaze u pomoć. Već se testiraju Spritam 3D štampane tablete za epilepsiju koje sadrže podatke o pacijentu: spol, težinu, godine, stanje jetre, individualnu dozu.

Aditivne tehnologije u obrazovanju

Aditivne tehnologije se već aktivno implementiraju u školama, ako su nedavno školarci proučavali 3D modeliranje u specijalizovanim kompjuterskim programima, sada je postalo moguće štampati simuliranu sliku u volumenu. Učenici jasno vide svoje izume, napravljene greške i kako mehanizam radi. Do 2018. Ministarstvo prosvjete planira da predaje aditivne tehnologije u obrazovne institucije 3000 nastavnika.

08.06.2016

Izgledi za korištenje aditivnih tehnologija u proizvodnji strojeva za izgradnju puteva

Glavni pravci razvoja mašinstva trenutno su: upotreba novih polimernih, kompozitnih, inteligentnih materijala u proizvodnji mašinskih delova; razvoj novih tehnoloških metoda, opreme i procesa za proizvodnju proizvoda mašinstva.

Prvi korak ka stvaranju mašine je prostorno projektovanje proizvoda mašinstva korišćenjem kompjuterskih virtuelnih digitalnih trodimenzionalnih modela, što je postalo moguće zahvaljujući uvođenju savremenog softvera (CAD programa), modeliranja i proračuna (CAE).

Uvođenje tehnologija „trodimenzionalnog štampanja“ (3D štampa) omogućava izradu mašinskog dela ili proizvoda u celini na osnovu razvijenog 3D modela u najkraćem mogućem roku i uz minimalan gubitak materijala. Metode proizvodnje proizvoda zasnovane na procesu kombinovanja materijala za kreiranje objekta iz podataka 3D modela zajednički se nazivaju „aditivne tehnologije“.

U tom kontekstu, tradicionalne tehnologije mašinstva koje se zasnivaju na mašinskoj obradi radnog komada, tokom koje se uklanja deo materijala (struganje, glodanje), su „subtractive“.

Osnova modernih aditivnih tehnologija je metoda formiranja dijela od polimernog kompozitnog materijala postupnim povećanjem pomoću termičkog ili nekog drugog efekta, čime se dobije dio traženog oblika zadanih dimenzija. Trenutno već postoji više od 30 različitih vrsta procesa proizvodnje aditiva.

Glavne prednosti aditivnih tehnologija u odnosu na tradicionalne su:

Smanjen radni intenzitet proizvodnje;
smanjenje vremena projektovanja i izrade delova;
smanjenje troškova projektovanja i proizvodnje delova;
ušteda inženjerskih materijala. Vrijeme pojave aditiva
tehnologija datira iz kasnih 80-ih godina prošlog veka. Pionir u ovoj oblasti je 3D Systems (SAD).

Prva klasifikacija metoda aditivne proizvodnje za proizvodnju dijelova data je u standardu ASTM F2792.1549323-1 (SAD), koji je uvelike zastario u posljednjih dvadeset godina zbog brzog razvoja tehnološke opreme.

Dana 1. septembra 2015. godine, po nalogu Ros-Standard-a, formiran je tehnički komitet „Additivne tehnologije“ za razvoj termina, definicija i standarda koji se odnose na njih.

Izrada klasifikacije aditivnih tehnologija, uzimajući u obzir raznolikost metoda, materijala i opreme koja se koristi, nije lak zadatak.

Najprije treba izdvojiti dva pravca razvoja aditivnih tehnologija zasnovanih na principu formiranja dijelova

Pravci razvoja aditivnih tehnologija zasnovanih na principu formiranja delova

Prvi smjer uključuje formiranje dijela kombiniranjem materijala raspoređenog na radnoj površini platforme tehnološke opreme (Bed deposition). Nakon što je proces proizvodnje završen, ostaje određena količina materijala koji se može koristiti za formiranje sljedećeg dijela.

Procesi kombinovanja materijala koji se distribuiraju na platformi čine osnovu različitih vrsta tehnološke opreme za proizvodnju delova primenom aditivnih tehnologija:

SLA – Steriolitografski aparat;
SLM – Selektivno lasersko topljenje;
DMLS – Direktno lasersko sinterovanje metala;
EBM – topljenje elektronskih zraka;
SHS – Selektivno toplotno sinterovanje;
MIM – brizganje metala;
Ink-Jet ili Binder jetting;
UAM – Ultrazvučna aditivna proizvodnja;
LOM – Proizvodnja laminiranih objekata.

Drugi smjer formiranja dijelova– direktnim taloženjem materijala. U ovom slučaju, proizvod se formira sloj po sloj direktno od materijala zagrijanog na potrebnu temperaturu, koji se na radnu platformu dovodi iz posebnog distributivnog uređaja.

Sljedeće vrste tehnološke opreme za proizvodnju dijelova korištenjem aditivnih tehnologija izgrađene su na principu direktnog taloženja materijala:

CLAD – Construction Laser Additive Di-recte;
EBDM – Direktna proizvodnja elektronskih zraka;
MJS – Multiphase Jet Solidification;
BPM – proizvodnja balističkih čestica;
MJM – višestruki mlazni materijal.

Klasifikacija aditivnih tehnologija prema stanju agregacije materijala koji se koristi u formiranju
detalji

Klasifikacija aditivnih tehnologija prema stanju agregacije materijala koji se koristi za formiranje dijela

Klasifikacija aditivnih tehnologija prema vrsti korištenog materijala

Klasifikacija aditivnih tehnologija prema vrsti korištenog materijala

Ovisno o vrsti i početnom obliku materijala koji se koristi za proizvodnju dijelova, razlikuju se vrste aditivnih tehnologija

Klasifikacija aditivnih tehnologija prema vrsti i obliku materijala koji se koristi za proizvodnju dijelova

Sirovina– međunarodni naziv za zrnastu mješavinu praha i vezivnog materijala.

Očigledno je da se za proizvodnju sirovina koje se koriste u formiranju dijelova korištenjem aditivnih tehnologija, razne vrste specijalne tehnološke opreme čiji popis i opis nije u okviru ovog člana.

Proces stvaranja proizvoda korištenjem aditivnih tehnologija može se predstaviti kao slijed radnji

Struktura aditivnog tehnološkog procesa za proizvodnju proizvoda mašinstva

U skladu sa onim što je prikazano na sl. 5 algoritam u prvoj fazi kreiranja proizvoda vrši razvoj 3D modela pomoću CAD programa u skladu sa tehničkim specifikacijama i zahtjevima standarda.

Nakon toga, potrebno je eksportirati podatke datoteke programa solidnog modeliranja u format koji može razumjeti program mašine za kontrolu aditivne proizvodnje (na primjer, “STL”).
Prije sljedeće faze identifikuju se mogući nedostaci u modelu. Model namijenjen 3D štampi mora biti zapečaćen, monolitan i ne sadrži šuplje zidove, što se osigurava posebnim programima.

Zatim se informacije iz STL datoteke pretvaraju u naredbe, nakon čega 3D pisač proizvodi proizvod, to je takozvani G-kod. Tokom ovog postupka morate odabrati željenu skalu dijela, ispravan položaj u prostoru, a također i precizno postaviti model na radnu površinu. O tome ovisi rezultat cijelog procesa, čvrstoća, hrapavost površine dijela i potrošnja materijala.

Nakon podešavanja, model se deli na slojeve materijala, koji se „polažu“ u telo dela u jednom radnom ciklusu mašine za aditive. Ovaj proces se zove sečenje. Rezanje se vrši pomoću softvera koji se isporučuje uz mašinu, ili pomoću specijalnih alata (Skein-forge, Slic3r, KISSlicer, MakerWare, itd.).

G-kod dobijen u prethodnoj fazi prenosi se na 3D štampač putem fleš memorije ili putem USB kabla.
U procesu pripreme i podešavanja aditivne mašine vrši se kalibracija, predgrijavanje radnih delova, izbor materijala modela i podešavanje parametara režima rada opreme u zavisnosti od toga.

Na uređajima na profesionalnom nivou, ova faza se može kombinovati sa postupcima procesa rezanja.

Nakon što su obavljene sve pripremne radnje, počinje proces štampe, odnosno kombinacija materijala sloj po sloj. Njegovo trajanje ovisi o vrsti tehnologije i odabranim parametrima točnosti i kvalitete dijela.

Po potrebi, stvoreni dio se podvrgava dodatnim tehnološkim utjecajima: uklanjanje potpornih nosača, kemijska ili termička obrada, dorada radnih površina.
U završnoj fazi proizvodnje provodi se kontrola kvalitete dijela, uključujući provjeru usklađenosti s regulatornim zahtjevima za geometrijske dimenzije, pokazatelje fizičkih i mehaničkih svojstava i druge parametre koji utječu na potrošačka svojstva proizvoda.

Za građevinske i transportno-tehnološke mašine, izgledi za korišćenje aditivnih tehnologija su prvenstveno očigledni u proizvodnji sledećih vrsta delova:

Plastični dijelovi kućišta za električne uređaje;
komponente hidraulične opreme (brtvila za klipove za vođenje i klipove hidrauličnih cilindara, odvojivi priključci, elementi razvodnika, pumpi i hidrauličnih motora);
proizvodnja cijevi za hlađenje motora i sisteme napajanja;
završni detalji kabine operatera: ručke poluga, paneli, prekidači, džojstici, itd.;
kućište, sigurnost, šarke i drugi dijelovi dodataka;
čahure šarki pokretnih zglobova, koje rade kao klizni ležaj za radnu opremu.

Posebno je zanimljiva mogućnost korištenja aditivnih tehnologija za brzu izradu prototipa u razvoju radne opreme građevinskih mašina.

Razvoj prototipa (modela) radnog tijela je najvažnija faza u stvaranju mašine. Prototip gotovog proizvoda ne samo da daje ideju o njegovom izgledu i ukupnim težinskim karakteristikama, već i omogućava procjenu usklađenosti postignutih operativnih svojstava sa zahtjevima tehničkih specifikacija.

Razmotrimo postupak izrade prototipa koristeći aditivne tehnologije na primjeru kašike bagera.
Brza izrada prototipa pri dizajniranju novih modifikacija kašika omogućava:

Vizualizacija izgled kutlača;
potvrda kompatibilnosti kinematičkih parametara sa osnovnom mašinom;
sposobnost procjene punjenja kante zemljom i njenog naknadnog istovara, što igra važnu ulogu u razvoju tla s visokom ljepljivošću ili svojstvima smrzavanja;
sposobnost proučavanja procesa formiranja strugotine pri rezanju tla kantom;
identifikacija područja koja su podložna najvećem abrazivnom habanju tokom rada;
razvoj tehnoloških procesa montaže, zavarivanja, mašinske obrade i farbanja;
obuka zaposlenih. Pruža obilje mogućnosti
razne vrste i svojstva modela materijala koji se koriste za izradu prototipa. Na primjer, model napravljen od prozirnog polimera omogućava proučavanje ne samo interakcije površina radnog tijela bagera s tlom tijekom punjenja, već i procesa koji se odvijaju u iskopanom tlu. To vam omogućava da odaberete optimalan oblik kante, pružajući najmanji otpor pri kopanju tla.

Digitalni model prototipa kašike bagera

Analiza modela pomoću metode konačnih elemenata omogućava vam da procijenite distribuciju naprezanja koja nastaju u konstrukciji tokom procesa kopanja

Raspodjela unutrašnjih naprezanja u konstrukciji kašike bagera tokom razvoja tla

Kreiranje i testiranje prototipa kante osigurava:

Uštede na testiranju u punom obimu;
sprečavanje grešaka u dizajnu i montaži proizvoda;
smanjenje težine kašike;
povećanje efikasnosti razvoja tla kantom, što zauzvrat smanjuje potrošnju goriva;
povećanje pouzdanosti i trajnosti radne opreme;
sposobnost procjene vijeka trajanja kašike i stope trošenja zuba tokom razvoja tla različitih kategorija. Proces stvaranja kašike bagera
korištenje izgleda sastoji se od sljedećih koraka:
razvoj digitalnog 3D modela kante, izvođenje proračuna pomoću specijalizovanih softverskih proizvoda.
izrada prototipa uz pomoć aditivnih tehnologija: priprema modela za izradu prototipa, opravdavanje mjerila za model i formiranje kutlače od termoplastičnog materijala.
izvođenje testova i eksperimentalnih studija prototipa kašike.
obrada i analiza rezultata istraživanja, unošenje potrebnih izmjena u projekat kašike, finalizacija projektne dokumentacije, odobrenje i početak proizvodnje.

Bagerska kašika proizvedena uzimajući u obzir rezultate istraživanja prototipa

Prilikom popravke transportnih i tehnoloških mašina moguće je koristiti aditivne tehnologije za obnavljanje istrošenih i oštećenih metalnih dijelova LENS, CLAD, DMD metodama, što omogućava minimiziranje upotrebe ručnog rada, povećanje produktivnosti i kvalitete popravka.

Ali proizvodnja dijelova od polimernih materijala za popravak može biti korisna na sljedeće načine:

Umjesto metalnih - mjera koja smanjuje zastoje opreme zbog iznenadnih
kvar (privremena zamjena). Ovo je posebno važno u preduzećima koja ne obavljaju poslove održavanja. Za malo preduzeće koje koristi nekoliko jedinica mašina za različite namene, čiji budžet ne dozvoljava osoblju kupovinu rezervnih delova ili zalihe rezervnih delova;
umjesto plastičnih, omogućit će vam ispis dijelova pojedinačne veličine za popravak;
upotreba kompozitnih materijala sa svojstvima većim od originalnog dijela;
proizvodnja manjih količina dijelova u elektrotehnici i hidrauličkim pogonima;
mobilnost štampača: može se postaviti u automobil;
relativno niska potrošnja energije.

Važan faktor je da se tokom aditivne proizvodnje i restauracije dijelova programer može nalaziti na bilo kojoj udaljenosti od objekta (mašine) zbog raširene upotrebe računalnih mreža.

Skeniranje oštećenih komponenti montažnih jedinica pomoću 3D skenera (reinženjering), praćeno kompjuterskom obradom i ispisom, otvara izglede za stvaranje univerzalnih multifunkcionalnih proizvodnih i popravnih kompleksa.
Skeniranje značajno povećava brzinu i točnost proizvodnje dijelova, a također smanjuje troškove mjernih alata. Trenutno se 3D skener već koristi u kontroli kvaliteta proizvedenih delova u vodećim preduzećima.

Danas su glavni problemi koji ometaju uvođenje aditivnih tehnologija u proizvodnju ograničen izbor korištenih materijala i njihova visoka cijena, ograničene ukupne dimenzije proizvoda koji se stvaraju i niska produktivnost opreme. Ali uzimajući u obzir trenutnu dinamiku razvoja aditivnih tehnologija, prevazilaženje ovih problema u bliskoj budućnosti je sasvim moguće.
Rezultati prikazani u članku dobijeni su tokom izrade projekta br. B1124214, sprovedenog u okviru projektnog dijela Državnog zadatka u oblasti naučne djelatnosti za 2016. godinu.

Spisak korišćene literature
1. Slyusar, V.I. Fabrika za svaki dom. Širom svijeta. — br. 1 (2808).
2. Dovbysh V.M., Zabednov P.V., Zlenko M.A. Članak „Aditivne tehnologije i metalni proizvodi“ Državnog naučnog centra Ruske Federacije, Federalno državno jedinstveno preduzeće „NAMI“.
3. Zorin V.A. Baurova N.I., Shakurova A.M. Primjena kapsuliranih materijala u montaži i popravci navojnih spojeva // Mehanizacija gradnje. 2014. br. 8(842).
4. Zorin V.A. Baurova N.I., Shakurova A.M. Proučavanje strukture inkapsuliranog anaerobnog ljepila // Ljepila. Zaptivači. Tehnologije. 2014. br. 5.
5. Baurova N.I., Zorin V.A., Prikhodko V.M. Opis scenarija za prijelaz materijala iz radnog stanja u neoperativno stanje korištenjem jednadžbe teorije katastrofe „preklopa“ // Ljepila. Zaptivači. Tehnologije. 2014. br. 8.
6. Baurova N.I., Zorin V.A., Prikhodko V.M. Opis procesa degradacije svojstava materijala pomoću aparature teorije katastrofa // Svi materijali. Enciklopedijski priručnik. 2014. br. 11.
Baurova N.I., Sergeev A.Yu. Strukturne studije mehanizma razaranja adhezivnih spojeva nakon ispitivanja metodom izvlačenja // Ljepila. Zaptivači. Tehnologije. 2014. br. 4.

Aditivne tehnologije se s pravom svrstavaju u tehnologije 21. veka. Imaju ogroman potencijal za smanjenje troškova energije za stvaranje širokog spektra proizvoda. Stepen njihove upotrebe u industrijskoj proizvodnji pravi je pokazatelj industrijske moći države i njenog inovativnog razvoja. Trenutno ruska preduzeća koriste uvezene metalne prahove. U Rusiji ne postoji serijska proizvodnja praškastih materijala za aditivne tehnologije.

Istraživačka grupa "Infomine"
Osnovan 1993. godine. Specijalizirao se za proučavanje tržišta industrijskih proizvoda u Rusiji i zemljama ZND. Glavna područja istraživanja su: mineralne sirovine, metali i hemijski proizvodi. Tokom proteklih godina, stručnjaci kompanije pripremili su preko 1000 recenzija. Klijenti Infominea su više od 500 proizvodnih, trgovačkih, konsultantskih kompanija, banaka i naučnih organizacija iz 37 zemalja. Među njima: Gazprom, Lukoil, TNK-BP, AFK Sistema, MMC Norilsk Nickel, Evraz Group S.A., United Company Rusal, itd. Profesionalnost kompanije potvrđena je brojnim publikacijama u naučnim i naučno-popularnim časopisima, kao i prezentacijama na konferencijama na raznim nivoima.

Metalni prah ima jedinstvena hemijska i metalurška svojstva, što im omogućava da se koriste u različitim oblastima. Pojavom aditivnih tehnologija metalurgija praha je dobila nove razvojne izglede. Metalurgija praha je najekonomičniji način proizvodnje proizvoda, odlikuje se niskim otpadom u odnosu na tradicionalne tehnologije (lijevanje, strojna obrada, hladno i toplo oblikovanje) i minimalnim brojem operacija za dobijanje proizvoda dimenzija bliskih finalnoj veličini. Još jedna karakteristika metalurgije praha je mogućnost proizvodnje materijala i proizvoda koji se ne mogu dobiti tradicionalnim metalurškim metodama. Uz pomoć aditivnih tehnologija pojednostavljuju se proizvodni procesi u vazduhoplovnoj industriji, elektroenergetici, instrumentarstvu – gde god postoji potreba za proizvodima složene geometrije i „uzgajanjem“ metalnih delova. Trenutno, u pogledu implementacije aditivnih tehnologija, Rusija zaostaje za vodećim zemljama svijeta. Ruski potrošači i dalje ovise kako o nabavci uvezenog visokokvalitetnog metalnog praha tako i o uvozu samih 3D štampača.

Stanje aditivnih tehnologija u svijetu
Tehnologija trodimenzionalnog štampanja (3D) počela se razvijati kasnih 1980-ih. Pionir u ovoj oblasti je 3D Systems, koji je 1986. godine razvio prvi stereolitografski aparat. Prve laserske mašine - stereolitografske (SLA), a zatim mašine za prah (SLS) - bile su veoma skupe, izbor materijala je bio prilično uzak, a do sredine 1990-ih koristili su se uglavnom u istraživačko-razvojnim aktivnostima vezanim za odbrambenu industriju. . Nakon toga, nakon širokog usvajanja digitalnih tehnologija u oblastima dizajna, modeliranja i mašinske obrade, 3D tehnologije su počele da se brzo razvijaju. Trenutno preporučeni termin za 3D tehnologije je aditivna proizvodnja (AM). Prema Wohlers Associates, globalno tržište AM tehnologije vrijedilo je oko 3 milijarde dolara u 2014., sa prosječnom stopom rasta od 20-30%. Predviđa se da bi do 2020. godine veličina tržišta mogla dostići 16 milijardi dolara. Tržište aditivnih tehnologija se ubrzano mijenja, dešavaju se spajanja i preuzimanja kompanija za proizvodnju mašina, pojavljuju se novi servisni centri u oblasti AM tehnologija, ovi centri se udružuju u evropsku, a sada i globalnu mrežu. 63% svih mašina za aditivnu proizvodnju u svetu proizvodi se u SAD. Najzapaženije uvođenje AM tehnologija je u industrijama kao što su avioindustrija, brodogradnja, energetika, kao i stomatologija i rekonstruktivna hirurgija. Glavni kupci i potrošači AM proizvoda su zrakoplovna i automobilska industrija SAD-a i Europe. Ove tehnologije privlače velike industrijske kompanije: Boeing, Mercedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors. Na primjer, Boeing je posljednjih godina značajno povećao asortiman dijelova proizvedenih korištenjem AM tehnologija. Trenutno se na ovaj način proizvodi više od 22 hiljade dijelova od 300 artikala za 10 tipova vojnih i komercijalnih aviona, uključujući Dreamliner. Odbijanje proizvodnje potpuno metalnih limova u korist praha za sinterovanje prilikom formiranja okvira brojnih modela Boeinga omogućilo je kompaniji da pređe na fundamentalno novi nivo proizvodnja. Prema procjenama stručnjaka General Electrica, za 10 godina približno polovina dijelova energetskih turbina i avionskih motora bit će proizvedena korištenjem AM tehnologija. Aditivne tehnologije se aktivno koriste u potrošačkoj elektronici i medicini, uključujući i stomatologiju. Arcam kaže da su njegovi uređaji korišćeni za stvaranje više od 30.000 titanijumskih implantata za rekonstrukciju. zglobovi kuka. Glavna razlika između AM tehnologija je u tome što se one koriste za formiranje dijela građenjem materijala, za razliku od njegovog uklanjanja u slučaju strojne obrade. Upotreba aditivnih tehnologija omogućava proizvodnju dijelova sa karakteristikama koje nisu dostupne drugim metodama obrade (na primjer, sa zakrivljenim rupama ili unutrašnjim šupljinama). Sloj po sloj metoda izrade dijela pruža potpuno nove mogućnosti, na primjer, proizvodnju „dio u dijelu“, dijelova sa svojstvima materijala koji variraju u debljini (tzv. gradijentni materijali) i proizvodnju mrežaste strukture koje se ne mogu dobiti ni livenjem ni mašinskom obradom. Značajni izgledi za 3D tehnologije otvaraju se u avio industriji. To je zbog činjenice da je uz njihovu pomoć postalo moguće radikalno smanjiti omjer mase materijala potrebnog za proizvodnju dijela i mase završnog dijela. Za većinu dijelova koji se proizvode tradicionalno, ovaj omjer može doseći 20:1 kada se koriste aditivne tehnologije, ovaj broj je u najgorem slučaju 2:1.

Rice. 1. Selektivna laserska mašina za topljenje SLM 280 iz SLM Solutions (Njemačka)

Gotovo sve kompanije koje koriste laser svoju tehnologiju nazivaju drugačije. Ovo je učinjeno kako bi se razlikovao od konkurenata, ali u tehničkoj suštini to su sve selektivne laserske tehnologije topljenja - SLM tehnologije. Međutim, ovo ime je tajno dodijeljeno kompaniji SLM Solutions. SLM Solutions (Njemačka) je jedan od svjetskih lidera u oblasti tehnologija laserske sinteze. SLM Solutions aktivno sarađuje sa FILT-om. Kao rezultat ove saradnje, pojavila se najnaprednija mašina do sada, SLM 280 (slika 1). Ovaj uređaj odlikuje se prisustvom dva lasera: vanjski obris dijela i tanki zidovi obrađuju se prvim laserom snage 400 W, glavni dio dijela obrađuje drugi, snažniji laser (1000 W). Kombinacija dva lasera različite snage omogućava proizvodnju dijelova debljine pojedinačnih fragmenata do 0,3 mm. Ovo također daje uređaju značajne prednosti: povećava se brzina izgradnje dijela (do 5 puta), poboljšava se unutrašnja struktura materijala i čistoća vanjske površine.

Vrste aditivnih tehnologija
Dvije vrste aditivnih tehnologija bitno se razlikuju u smislu metoda formiranja slojeva. Bed Deposition tehnologija podrazumijeva formiranje sloja praha u prvoj fazi, nakon čega slijedi selektivna obrada formiranog sloja laserom ili drugom metodom. Ova tehnologija sasvim precizno odgovara pojmu “selektivna sinteza” ili “selektivno lasersko sinterovanje” (SLS – Selective Laser Sintering), ako je alat za “otvrdnjavanje” laser, koji je u ovom slučaju, za razliku od laserske stereolitografije (SLA tehnologija), izvor toplote, a ne ultraljubičasto zračenje. Drugi tip direktnog taloženja je direktno, ili trenutno, taloženje materijala, odnosno direktno do tačke na kojoj se snabdeva energija i gde se trenutno odvija izgradnja fragmenta dela. Najzastupljeniji modeli na tržištu su Bed Deposition grupa. Većina kompanija koje proizvode takve uređaje koristi laser u svojim mašinama kao izvor energije za povezivanje čestica sastava metalnog praha. To uključuje: Arcam (Švedska), Concept Laser (Nemačka), EOS (Nemačka), Phenix Systems (Francuska), Realizes (Nemačka), Renishaw (Velika Britanija), SLM Solutions (Nemačka), Systems (SAD). U ovoj grupi su 2012. godine bile kineske kompanije Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems i Trump Precision Machinery. U drugu grupu mašina (Direct Deposition) spadaju uređaji POM Group, Optomec, Sciaky (SAD), Irepa Laser (Francuska), InssTek (Južna Koreja). U Rusiji ne postoji masovna proizvodnja AM mašina koje koriste metalni prah kao materijal. Istovremeno, brojne organizacije se bave razvojem i kreiranjem prototipova ove vrste uređaja. Na primjer, JSC Elektromekhanika (Tverska regija), u okviru zajedničkog rada sa Saveznom državnom budžetskom obrazovnom ustanovom visokog stručnog obrazovanja MSTU STANKIN, proizvela je automatiziranu 3D instalaciju za uzgoj preciznih titanskih zaliha složenih dijelova u vakuumu korištenjem slojeva. -slojna sinteza pomoću snopa elektrona iz finog metalnog praha. JSC TVEL, zajedno sa naučnim organizacijama Uralskog ogranka Ruske akademije nauka, razvija i organizuje proizvodnju URAM-550 instalacija za selektivno lasersko taljenje metalnog praha sa radnom komorom veličine 500×500×500 mm. Rosatom, u saradnji sa Ministarstvom obrazovanja i nauke, planira da napravi prototip 3D štampača za proizvodnju metalnih proizvoda na bazi NPO TsNIITMASH. Specijalisti JSC Nacionalnog instituta za vazduhoplovnu tehnologiju razvili su nekoliko tipova eksperimentalnih laserskih instalacija za sintezu sloj-po-sloj. Razvoj uređaja za lasersku sintezu sloj-po-sloj obavlja i Institut za laser i informacione tehnologije(IPLIT).

Rice. 2. AM mašina X line 1000R iz Concept Lasera

Do nedavno, najveća AM mašina kompanije smatrana je X line 1000R (slika 2) sa površinom izrade od 630x400x500 mm. Razvijen je zajedno sa Fraunhofer institutom za lasersku tehnologiju (FILT) uz učešće Daimler AG i ušao na tržište 2013. godine. Prva takva mašina je instalirana u Daimler AG za uzgoj automobilskih komponenti od aluminijuma. Ovaj model je nedavno dopunjen modifikacijom X line 2000R, opremljen sa dva lasera od 1000 W. Građevinska površina je povećana na 800×400×500 mm. Kompanija je izašla u susret zahtjevima kupaca iz zrakoplovne i automobilske industrije povećanjem brzine izrade proizvoda.

Rice. 3. POM DMD IC106

Kompanija POM (Precision Optical Manufacturing) je programer DMD tehnologije i nosilac patenta za originalna tehnička rešenja za laserske sisteme i sisteme upravljanja povratnom spregom uz istovremeno regulisanje u realnom vremenu glavnih parametara konstrukcije delova: zapremine materijala, brzine kretanja glave. i laserske snage, koje osiguravaju stabilnost i kvalitet procesa rada (Sl. 3). Ova tehnologija omogućava da se proizvede paralelno ili uzastopno punjenje dvije vrste materijala različitih fizičkih i kemijskih svojstava i na taj način kreiraju bimetalne komponente, na primjer kalupi za brizganje plastike (tijelo kalupa od bakra, radni dio od alatnog čelika) ili nanesite posebne premaze, na primjer na obloge cilindara, klipne prstenove, bregasta vratila, sjedišta ventila.

Tehnologije za proizvodnju metalnog praha
Trenutno ne postoje opći zahtjevi za kompozicije metalnog praha koji se koriste u AM tehnologijama. Razne kompanije za proizvodnju AM mašina zahtevaju rad sa određenom listom materijala, koje obično isporučuje sama kompanija. Uobičajeni zahtjev za prahove za AM mašine je sferni oblik čestica. To je zbog potrebe za kompaktnim postavljanjem u određenom volumenu i osiguravanjem "fluidnosti" sastava praha u sistemima za opskrbu materijalom s minimalnim otporom. Na tržištu postoje desetine različitih vrsta kompozicija: od običnih konstrukcijskih čelika do legura otpornih na toplinu i plemenitih metala. Opseg njihove primjene već je izuzetno raznolik - od stomatologije do industrije nakita. Glavne tehnologije za proizvodnju prahova za AM mašine su gasna atomizacija, vakuum atomizacija i centrifugalna atomizacija. Prema tehnologiji gasne atomizacije, metal se topi u komori za topljenje (obično u vakuumu ili inertnoj sredini), a zatim se kontrolisano odvodi kroz poseban uređaj za raspršivanje, pri čemu se protok tečnog metala uništava mlazom inertnog gasa ispod pritisak. U Evropi postoje tri kompanije - ALD (Holandija), PSI - Phoenix Scientific Industries Ltd. (UK) i Atomising Systems (UK) - proizvode atomizere kao komercijalne proizvode. Kod vakuumske atomizacije proces se odvija zbog plina otopljenog u talini. Raspršivač se sastoji od dvije komore - topljenja i prskanja. U komori za topljenje stvara se višak pritiska gasa (vodonik, helijum, azot) koji se rastvara u talini. Prilikom atomizacije metal, pod uticajem pritiska u komori za topljenje, struji nagore do aparata mlaznice, koji izlazi u komoru za raspršivanje, gde se stvara vakuum. Rezultirajuća razlika tlaka podstiče otopljeni plin da dođe na površinu kapljica rastopa i „eksplodira“ kapljice iznutra, pružajući sferni oblik i fino dispergiranu strukturu praha. Tehnologije centrifugalne atomizacije su vrlo raznolike, ali od najvećeg su interesa one koje omogućavaju dobivanje prahova najvrednijih legura za aditivne tehnologije - reaktivnih i vatrostalnih metala. Jedini ograničavajući faktor za razvoj aditivnih tehnologija je visoka cijena potrošnog materijala (metalni prah). Trenutno, brojne kompanije rade na uvođenju jeftinijih tehnologija za proizvodnju prahova (uključujući titanijum). Proboj u ovom smjeru dovest će do značajnog povećanja potražnje za 3D uređajima koji mogu reproducirati metalne modele.

Rice. 4. Atomizer EIGA 50 iz ALD (Holandija)

Svjetski lider u proizvodnji opreme za raspršivanje plina je ALD (trenutno dio AMG Advanced Metallurgical Group). U svojoj liniji proizvoda ima raspršivače za laboratorijske (volumen lončića 1,0–2,0 l) i industrijske svrhe kapaciteta do 500 kg po topljenju ili više. ALD je i proizvođač atomizera za proizvodnju praškastih kompozicija po EIGA tehnologiji - indukcijsko topljenje sa atomizacijom inertnog plina. Osnovni modeli EIGA 50 i EIGA 100 razlikuju se po veličini korištene sirovine - šipka je 50 odnosno 100 mm. EIGA mašine (slika 4) imaju malu brzinu prskanja - oko 0,5 kg/s, ali vam omogućavaju da raspršite prilično veliku količinu materijala tokom jedne topline - od nekoliko do desetina kilograma.

Rice. 5. Instalacija centrifugalne atomizacije taline Sferamet doo

U Rusiji postoji iskustvo u proizvodnji praškastih materijala centrifugalnim prskanjem sa kraja blanka šipke, otopljenog plazma lukom. Metoda je razvijena 1970-ih u VILS-u. Poslednjih godina ova metoda je dodatno razvijena u radovima OOO Sferamet (Moskovska oblast). Sferamet doo je proizvođač opreme i tehnologija nove generacije za proizvodnju sfernih granula metala i legura centrifugalnom atomizacijom taline. Početni materijal za proizvodnju granula pomoću razvijene instalacije UCR-6 (Sl. 5) su liveni cilindrični zarezi prečnika 76-80 mm i dužine 700 mm. Pomoću ove instalacije dobijene su granule s disperzijom od 50 mikrona.

Proizvodnja metalnih prahova za aditivne tehnologije u Rusiji
Intenzivnu upotrebu aditivnih tehnologija u Rusiji ometa i nedostatak AM mašina i nedostatak finih metalnih prahova. Trenutno ruska preduzeća koriste uvezene prahove, koje uglavnom isporučuju kompanije za proizvodnju biljaka. U Rusiji ne postoji serijska proizvodnja metalnog praha za aditivne tehnologije. Federalno državno jedinstveno preduzeće Sveruski institut vazduhoplovnih materijala (VIAM, Moskva) proizvodi kompozicije metalnog praha za aditivne tehnologije u relativno malim količinama. U bliskoj budućnosti planira se pokretanje moderne industrijske opreme i komercijalne proizvodnje prahova. Prema riječima generalnog direktora VIAM-a, akademika E.N. Kablova, postojeća ruska flota instalacija za aditivnu proizvodnju zahtijeva oko 20 tona praha godišnje. Prema procjenama kompanije Infomine, ovaj obim je precijenjen, a ukupni kapacitet tržišta praha za rad pogona aditivne tehnologije u Rusiji početkom 2016. nije veći od 6-7 tona. Niz ruskih kompanija trenutno se bavi proizvodnjom metalnog praha za aditivne tehnologije. Prema mišljenju stručnjaka, certificirane komercijalne kompozicije metalnog praha različitih marki mogle bi se pojaviti na domaćem tržištu već 2016. godine. Trenutno se VIAM samostalno opskrbljuje prahom, ali je njegov kapacitet mali (do 2 tone godišnje). VIAM-ov pokret prema proizvodnji prahova za aditivne tehnologije započeo je organizacijom proizvodnje lemova za visokotemperaturno vakuumsko lemljenje. Zahtjevi za lemove u prahu su slični sličnim zahtjevima za kompozicije metalnog praha koji se koriste u aditivnim tehnologijama, uključujući kombinaciju frakcija različitih veličina. VIAM od 2010. godine aktivno radi na stvaranju proizvodnje finih metalnih prahova raspršivanjem taline inertnim gasom pomoću instalacije ERMIGA10/100VI. Razvijene su i savladane tehnologije za proizvodnju prahova više od 10 razreda nikalnih i titanijumskih lemova (10-200 mikrona). Počele su serijske isporuke lemova u fabrike motora. U toku je rad na proizvodnji finih prahova za aditivne tehnologije. Praškovi za lasersko LMD navarivanje (40–80 mikrona) isporučuju se u Aviadvigatel OJSC, gdje se izvode radovi na razvoju tehnologije za nanošenje na obrub prirubnica omotača lopatica motora pod visokim pritiskom. U toku je rad na proizvodnji prahova za selektivno lasersko topljenje (20–40, 10–50 µm).

Rice. 6. Layer-by-layer laser fusion instalacija M2 Cusing od Concept Laser

VIAM je 2014. godine kupio Concept Laser M2 Cusing instalaciju za selektivno lasersko topljenje metalnog praha (slika 6), koja omogućava izradu dijelova gotovo bilo koje složenosti unutrašnje strukture direktno od metalnog praha bez upotrebe opreme. Započela su istraživanja u oblasti dobijanja delova kroz puni ciklus, što će dodatno ubrzati uvođenje aditivnih tehnologija u proizvodnju. Takođe u FSU "VIAM", metodom laserskog topljenja sloj-po-sloj na instalaciji M2 Cusing od Concept Laser-a, od praha EP648-VI (VKh4L), proizvodnja vrtloga za motore 100-07, 100-08, 100-09 je počelo. U okviru istraživačkog rada po nalogu Federalne svemirske agencije, obavljen je rad koji je pokazao mogućnost dobijanja prahova (granula) na bazi nikla i titana za selektivno lasersko legiranje.

Tehnologije aditiva u Rosatomu: ciklus od praha do nanošenja

Rice. 7. Mapa puta za razvoj aditivnih tehnologija Rosatoma

Uvoz uređaja aditivne tehnologije u Rusiju
Rusija zadovoljava potrebe za 3D štampačima koji koriste metalne prahove uvozom ovih proizvoda. Prema Infomine-u, Rusija je uvezla 29 instalacija za aditivnu tehnologiju na metalnom prahu u vrijednosti od oko 12 miliona dolara u periodu 2009–2015. Istovremeno, karakterističan je trend povećanja uvoznih zaliha (Sl. 10). Kao što vidite, 2014. i 2015. obilježile su najviši nivo isporuke u vrednosti od preko 200 hiljada dolara.

Rice. 8. Atomizer ALD VIGA-2B

Naučni centar za nauku o praškastim materijalima (NCPM) na Politehničkom univerzitetu u Permu (PNRPU) kupio je raspršivač ALD VIGA-2B 2011. godine (slika 8). U aprilu 2014. lansirana je AM mašina. Instalacija je namijenjena za istraživanje i proizvodnju malih eksperimentalnih serija praha. Omogućava vam prskanje svih nevatrostalnih metala i legura s tačkom topljenja do 1700 °C. Prema riječima stručnjaka iz Naučnog centra, praškovi su sferni, ali neujednačeni - s veličinom čestica u rasponu od 0,5 do 100 mikrona.

Rice. 9. Struktura isporuke 3D štampača u Rusku Federaciju od strane glavnih stranih proizvođača u 2009–2015, %